于 洋，孫 香

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

原油含水率在油田開采及提煉加工過程中是一個至關(guān)重要的性能指標(biāo)[1]。因此對原油含水率實時準(zhǔn)確的測量有著非常重要的實際應(yīng)用價值和意義。所以研究測量范圍寬、精度高的油品含水率檢測儀表具有重要的現(xiàn)實意義。

由于微波的穿透能力很強(qiáng)，它所檢測的不僅僅是物質(zhì)表層的水分，還可檢測物質(zhì)內(nèi)部的水分含量，而且具有測量時間短、效率高等顯著優(yōu)點[2]。因此，采用微波透射法對原油含水率進(jìn)行測量，為達(dá)到自動定標(biāo)的功能，在實驗中，將整個系統(tǒng)分為參考通道和測量通道，定量純油時含水率為0，通過單片機(jī)來調(diào)節(jié)兩通道的平衡和實現(xiàn)自動定標(biāo)功能，可實現(xiàn)寬范圍、高精度的原油含水率的測量。

1 微波透射法測量基本原理

1.1 復(fù)合介電常數(shù)

微波是一種特殊頻率波段的電磁波，微波的傳輸依靠的是交變電場和交變磁場的相互感應(yīng)而傳播的[3]。微波通過電介質(zhì)時，電介質(zhì)被極化，造成微波能量的衰減，故可以測量微波通過待測物質(zhì)前后的衰減變化值來間接測量物質(zhì)的一些特性。

水具有很強(qiáng)的極化特性[4]，水分子在外電場的作用下，會被極化成偶極子，并沿電場方向取向，外電場改變，則偶極子重新排列，并吸收電能以克服內(nèi)力，此時電場能量被消耗。微波是頻率極高的電磁波，在微波作用下，水偶極子頻繁換向則會消耗大量的電能[5]。含水物質(zhì)這種極化損耗的特性，可以通過其復(fù)合介電常數(shù)來表征，所以測得含水混合物的復(fù)合介電常數(shù)，便能間接測得該物質(zhì)中含水量的多少。物質(zhì)的復(fù)合介電常數(shù)[6]可以表示為

式中:ε′代表介質(zhì)的儲能特性，反映了在電場中被極化的能力;ε″是由弛豫損耗造成的，常以熱量的形式散發(fā)。

介電常數(shù)中ε′和ε″的大小與電場的頻率有關(guān)。例如，在頻率為10 GHz時，水 ε′=64，一般材料 ε′＜10;水的損耗因子 ε″=40，而一般材料ε″＜1。這個顯著差別表示:當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時，由水分引起的微波能量的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他物質(zhì)引起的損耗，物質(zhì)中的含水量將顯著的影響其介電常數(shù)[7]。

1.2 功率衰減

基于油和水之間介電常數(shù)ε的明顯差異，常溫下(20℃)水的介電常數(shù)大約為80，而原油的介電常數(shù)大概只有2.5，水的介電常數(shù)比原油大很多，油水混合物的介電常數(shù)主要由水決定，所以經(jīng)過油水混合物后的微波能量衰減主要由水分引起，因此測量通過待測樣品后微波能量的衰減值即可以計算得出混合物質(zhì)的含水率，這是微波透射衰減法測原油含水率的原理。

微波通過含水物質(zhì)時，其振幅、相位和傳播速度會發(fā)生變化，變化的大小主要取決于物質(zhì)的介電常數(shù)。因此測量通過物質(zhì)時，微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等與介電常數(shù)相關(guān)的物理量，就可間接測量計算出物質(zhì)的含水率，微波在有損耗介質(zhì)內(nèi)功率衰減的公式為[8]

式中:P0為未衰減前的功率;P1為經(jīng)過含水物質(zhì)后所得到的功率;α為衰減常數(shù);l為裝含水物質(zhì)容器的厚度;損耗角正切tanδ表示介質(zhì)損耗大小的一個常數(shù)，無損耗時tanδ等于0。

由于在實驗過程中，測量微波的功率比較困難，根據(jù)功率與電壓的公式:

因此實驗操作中，主要是依據(jù)微波電壓幅值的變化情況，來計算物質(zhì)的含水率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框圖及工作原理

根據(jù)微波測水的基本原理，設(shè)計了一種實現(xiàn)自動定標(biāo)功能的智能原油含水率的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由微波信號源、數(shù)控衰減器、環(huán)行器、PIN調(diào)制開關(guān)、傳感器、檢波器和選頻放大器及信號處理單元組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)框圖

微波信號源輸出等幅微波信號，經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入PIN調(diào)制開關(guān)，開關(guān)導(dǎo)通時間內(nèi)信號由PIN調(diào)制開關(guān)經(jīng)1 kHz方波調(diào)制后，經(jīng)過傳感器、待測物，由檢波器、選頻放大器解調(diào)出1 kHz的方波調(diào)制信號，測得信號幅值U1;PIN調(diào)制開關(guān)斷開時，微波信號經(jīng)PIN調(diào)制開關(guān)調(diào)制后全反射返回至環(huán)行器，再經(jīng)環(huán)行器送至參考通道，信號經(jīng)數(shù)控衰減器、檢波器、選頻放大器測得參考通道微波信號幅值U2.通過兩路信號幅值的差值即可間接計算得出原油含水率的大小，其中調(diào)制信號的頻率由PIN調(diào)制開關(guān)的控制導(dǎo)通時間而決定。

設(shè)計中通過大量實驗操作，得出油水混合物在微波頻率為9.4 GHz左右時，對微波信號的吸收最大，也就是微波的衰減最大。所以在實驗中所用的微波頻率為9.4 GHz.在系統(tǒng)中利用環(huán)形器和PIN調(diào)制開關(guān)的組合，在未使用魔T和功分器的情況下，將整個系統(tǒng)分為測量通道和參考通道;且保證了實驗中所需的較大功率。這一組合不僅實現(xiàn)了分離出兩路微波信號的功能，還大大簡化了微波信號源，降低了成本且使測量的精度有很大的提高。圖2為微波信號經(jīng)PIN調(diào)制開關(guān)后，由檢波器檢波出的信號;圖3為調(diào)制開關(guān)與環(huán)形器組合所分離出的2路微波信號。

2.2 信號處理單元

信號處理單元主要是對微波電路所輸出的2路信號進(jìn)行處理，得到所要計算的信息量。其主要包括整流濾波、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、LCD顯示，其信號處理模塊如圖4所示。

圖4 信號處理模塊

經(jīng)過待測物后的微波信號由檢波器輸出，送至選頻放大器，將帶有微波信息的1 kHz的信號進(jìn)行放大并送至整流濾波電路，經(jīng)A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行處理，并顯示原油含水率。

2.3 自動定標(biāo)

在整個系統(tǒng)中，實驗前首先必須進(jìn)行測量通道和參考通道的平衡調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程:將純油樣品(即含水率為0%)放入待測容器中，由于環(huán)形器的方向性，使得經(jīng)過調(diào)制開關(guān)后反射進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖奈⒉ㄐ盘柡苄?，因此需要使測量通道和參考通道達(dá)到初始平衡;考慮到當(dāng)原油含水率較高時，測量通道微波信號衰減較大，為方便以后數(shù)據(jù)處理的進(jìn)行，只能將參考通道信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器達(dá)到兩路信號的平衡，實現(xiàn)自動定標(biāo)的功能。自動定標(biāo)克服了信號源的不穩(wěn)定性及空間干擾對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)了原油含水率的精確測量。

3 實驗測量

實驗在常溫常壓下進(jìn)行，用機(jī)油代替原油，測量范圍是0～40%含水率。

(1)在進(jìn)行實驗操作前，首先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)調(diào)節(jié)，保證測量通道和參考通道在測量前的平衡。

(2)將幾組體積分?jǐn)?shù)已知的機(jī)油和水混合物分別放入待測容器，在測量通道測得衰減后的輸出電壓值U1，同時參考通道輸出參考電壓U2.

(3)利用MATLAB軟件將輸出電壓值和含水體積百分比用數(shù)值方法進(jìn)行曲線擬合，能得到一個電壓值與含水百分比的關(guān)系式(測量關(guān)系式)。

(4)對未知體積百分比的油水混合物進(jìn)行測量，得到測量電壓值。

(5)計算測量絕對誤差，分析系統(tǒng)測量精度及其他特性。

表1是所配的樣品及系統(tǒng)多次測量得到的測量通道電壓平均值，其在純油下(即含水率為0)時，調(diào)平電壓為3000 mV.由于微波衰減的非線性，為了減小誤差利用數(shù)值分析方法擬合了系統(tǒng)測試曲線。

表1 樣品及系統(tǒng)測得的電壓值

由已知樣品含水率及測得的電壓值，與參考通道的電壓進(jìn)行比較，得到電壓差值并進(jìn)行擬合得到擬合曲線，如圖5所示。

圖5 擬合曲線

利用該測量系統(tǒng)對未知原油含水率進(jìn)行了實際測試，測量結(jié)果如表2所示。

通過實驗得出在含水率偏高時測量得到的含水率值偏離實際值較大，線性度也稍差，實驗中得出當(dāng)含水率超過35%時，微波衰減較大，測量通道可添加功率放大器以方便以后數(shù)據(jù)的測量。

表2 測量結(jié)果

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計了參考通道并且實現(xiàn)了自動定標(biāo)功能，最大限度減小了微波信號源和外部電磁干擾信號對測量精度的影響，降低了成本，提高了測量精度。該系統(tǒng)在常溫實驗室條件下測量原油含水率具有較好的可靠性和測量精度。試驗表明:該系統(tǒng)原油含水率誤差范圍在±1%左右。

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